СИЛЬНОТОЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА Российский патент 2004 года по МПК H01J3/02 

Изобретение относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков (СЭП) и может быть использовано для создания импульсных сильноточных электронных ускорителей, а также для поверхностной обработки материалов этими пучками.

Известна электронная пушка по способу [1], содержащая взрывоэмиссионный катод и плазменный анод, состоящий из группы искровых источников, расположенных по окружности отверстия в аноде. Анодная плазма, генерируемая искровыми источниками, предварительно заполняет ускоряющий промежуток и пространство дрейфа пучка. При последующей подаче импульса ускоряющего напряжения на катод электрическое поле сосредотачивается в прикатодном слое объемного заряда ионов анодной плазмы. На катоде происходит возбуждение взрывной эмиссии с образованием сгустков плотной катодной плазмы – эмиттера электронов. Приложенное напряжение практически полностью сосредоточивается в двойном слое между катодной и анодной плазмой, в котором происходит ускорение и формирование электронного пучка. Наличие анодной плазмы существенно увеличивает первеанс электронного потока по сравнению с потоком в вакуумном промежутке той же протяженности, что обеспечивает получение СЭП даже при относительно низких значениях ускоряющего напряжения (десятки кВ). Для предотвращения пинчевания пучка электронная пушка помещается в ведущее магнитное поле. Недостатком данной электронной пушки является заметная пространственная и временная нестабильность плотности тока СЭП, связанная с соответствующей нестабильностью концентрации анодной плазмы. Эта нестабильность обусловлена нестационарным характером генерации плазмы, присущим искровым и дуговым разрядам.

Наиболее близкой по техническому решению к заявляемому изобретению, выбранной за прототип, является электронная пушка со взрывоэмиссионным катодом и плазменным анодом на основе отражательного разряда (ОР) [2]. Электродная система ОР состоит из кольцевого анода, на который подается положительный импульс напряжения, и двух заземленных сеток с высокой прозрачностью и диаметром апертуры, превышающим диаметр катода. Поскольку размер ячейки сетки существенно превышает толщину слоя объемного заряда ионов, возникающего вблизи витков сеток, то это позволяет плазме практически беспрепятственно проникать сквозь сетки и заполнять промежуток между взрывоэмиссионным катодом пушки и первой сеткой (ускоряющий зазор), а также промежуток между второй сеткой и коллектором. Таким образом, катод пушки и коллектор также являются электродами ОР. Аксиальное ведущее магнитное поле, необходимое для зажигания ОР и для транспортировки пучка, создается соленоидом, расположенным снаружи. Использование газоразрядной плазмы вместо эрозионной плазмы искры (дуги) позволяет улучшить однородность плотности тока (энергии) и стабильность параметров пучка от импульса к импульсу.

Однако данная электронная пушка имеет ряд недостатков. Главным недостатком является наличие утечек тока в радиальном направлении, а также по поверхности изолятора электронной пушки. Появление этих утечек связано с наличием плазмы в пространстве между анодом и корпусом электронной пушки. Эта плазма возникает вследствие аксиальных осцилляций электронов, поскольку входной и выходной фланцы электронной пушки имеют тот же потенциал, что и катоды отражательного разряда. Утечки тока приводят к уменьшению длительности импульса СЭП, его энергии (и плотности энергии), а также стабильности параметров пучка от импульса к импульсу.

Другим недостатком прототипа является существенный разброс времени зажигания ОР, характерный для газовых разрядов низкого давления с одноэлектронным инициированием. Это вызывает трудности в синхронизации момента подачи импульса ускоряющего напряжения на катод с моментом достижения заданной концентрации анодной плазмы, что ведет, в конечном счете, к нестабильности параметров формируемого СЭП.

И, наконец, использование сеток в разрядной ячейке снижает эффективность транспортировки пучка из-за оседания части электронов на ее витках, а также снижает надежность пушки при таких плотностях энергии пучка, когда возможно испарение материала сеток.

Задача, решаемая изобретением, - увеличение энергии пучка в импульсе, его длительности и стабильности параметров пучка от импульса к импульсу.

Техническим результатом заявляемого изобретения является:

1) уменьшение утечек электронного тока в радиальном направлении;

2) уменьшение разброса времени перехода отражательного разряда в сильноточную стадию и сокращение абсолютного значения этого времени.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной сильноточной электронной пушке, включающей взрывоэмиссионный катод, плазменный анод на основе отражательного разряда, коллектор и помещенной во внешнее ведущее магнитное поле, согласно изобретению между взрывоэмиссионным катодом и анодом отражательного разряда установлена заземленная диафрагма с диаметром отверстия меньшим диаметра катода.

Кроме того, в аноде отражательного разряда установлены искровые генераторы плазмы, катоды которых заземлены через ограничительные резисторы, а общим анодом генераторов плазмы является сам анод отражательного разряда. Предлагаемая схема питания ОР избавляет от необходимости иметь дополнительный генератор для поджига искр.

Размещение диафрагмы предотвращает образование плазмы в пространстве между катодом и корпусом пушки, и это уменьшает утечки тока в радиальном направлении. При этом, однако, возникает другой канал утечек тока - в аксиальном направлении, и пробой происходит с катода на диафрагму. Однако при достаточной величине зазора между катодом и диафрагмой этот пробой развивается за более длительное время. В итоге увеличивается длительность импульса, а значит и энергия пучка.

Установка искровых генераторов плазмы в аноде ОР резко уменьшает время перехода разряда в сильноточную стадию и статистический разброс этого времени от импульса к импульсу. В то же время ограниченность тока в искрах сводит вклад эрозионной составляющей в общее значение концентрации плазмы в столбе к минимуму и не ухудшает стабильность параметров плазмы.

На чертежe приведена принципиальная конструктивная схема предлагаемой сильноточной электронной пушки. Катодами ОР являются с одной стороны взрывоэмиссионный катод 1 и диафрагма 2, а с противоположной стороны - коллектор пучка 3. Анод 4, на который подается положительный импульс напряжения, представляет собой металлическое кольцо или тонкостенный цилиндрический стакан. Равномерно по окружности анода расположены искровые генераторы плазмы 5, их проволочные катоды вставлены внутрь керамических трубок, которые в свою очередь вставлены в отверстия в аноде. Торцы керамических трубок и проволочные катоды установлены заподлицо с внутренней поверхностью анода. Все катоды искровых генераторов соединены с корпусом заземленной электронной пушки через ограничительные резисторы 6 сопротивлением 1-2 кОм. Аксиальное ведущее магнитное поле напряженностью до 3 кЭ создается секционированным соленоидом 7. Напуск рабочего газа осуществляется стационарно через патрубок 8, вакуумноплотно подсоединенный к корпусу 9 электронной пушки. Для электропитания ОР, соленоида и катода электронной пушки используются блоки 10, 11 и 12 соответственно.

Электронная пушка работает следующим образом. После откачки объема электронной пушки до давления не более 0,01 Па в нее напускается рабочий газ (в данном случае аргон) до давления 0,04-0,1 Па. Затем включается блок питания соленоида 11 и в электронной пушке создается ведущее магнитное поле, которое обеспечивает как зажигание ОР, так и транспортировку СЭП. В момент достижения максимума магнитного поля на анод ОР подается импульс напряжения положительной полярности амплитудой 4-6 кВ от блока питания 10. Происходит пробой по поверхности керамических трубок искровых генераторов плазмы 12, и плазма этих искровых разрядов инжектируется в объем разрядной ячейки. Инжекция плазмы и наличие на аноде положительного потенциала приводит к быстрому развитию ОР и переходу его в сильноточную стадию. Осуществленное с помощью искр многоэлектронное инициирование разряда позволяет существенно быстрее достичь амплитудного значения тока разряда, а значит, и концентрации анодной плазмы, по сравнению со случаем одноэлектронного инициирования (т.е. при отсутствии искровых генераторов). Например, при давлении аргона 6,5×10^-2 Па и напряженности ведущего магнитного поля Н=1,35 кЭ время перехода ОР в сильноточную стадию составило 9-10 мкс, в то время как при отсутствии искровых генераторов в аноде 4 оно составляло в среднем 23 мкс. Существенно (в 4-5 раз) уменьшился также разброс значений этого времени. Характерные значения концентрации анодной плазмы составляют (3-10)×10¹² см^-3 при вышеуказанных давлениях рабочего газа и токе разряда 50-300 А. После достижения максимума тока ОР на катод 1 подается импульс ускоряющего напряжения отрицательной полярности амплитудой 25-40 кВ. Синхронизация процессов создания магнитного поля зажигания ОР и подачи ускоряющего напряжения осуществляется схемой управления, расположенной в блоке 11.

При подаче импульса ускоряющего напряжения электрическое поле сосредотачивается в прикатодном слое объемного заряда ионов и достигает величины достаточной для возбуждения взрывной эмиссии на поверхности катода. Отдельные сгустки катодной плазмы сливаются через некоторое время в сплошную эмитирующую поверхность. После возбуждения взрывной эмиссии ускоряющее напряжение сосредотачивается в двойном слое между катодной и анодной плазмой, в котором протекает биполярный поток заряженных частиц.

Ускоренный в двойном слое электронный пучок транспортируется в анодной плазме к коллектору, на котором могут располагаться обрабатываемые образцы и детали.

Зондовые измерения плазмы ОР показывают, что плазма формируется не только в основном столбе, но и в заанодном пространстве (т.е. в пространстве между анодом и корпусом пушки) на всем его аксиальном протяжении, хотя здесь ее концентрация в 3-5 раз ниже. При отсутствии диафрагмы 2 наличие плазмы в пространстве между катодом и стенкой корпуса пушки 9 приводит к росту утечек тока (пробою) в радиальном направлении и по поверхности изолятора 13 и, как следствие, к сокращению длительности пучка и его энергии в импульсе. Эксперименты показали, что установка диафрагмы 2, предотвращающей попадание плазмы в пространство между катодом и стенкой корпуса пушки 9, позволило увеличить длительность импульса и энергию пучка на 30-40%, несмотря на то, что при наличии диафрагмы возможен пробой вдоль силовых линий магнитного поля на ее кромку. Однако при достаточной величине зазора между катодом и диафрагмой этот пробой развивается за более длительное время. Статистический разброс энергии пучка в импульсе при использовании диафрагмы уменьшился с 12-15 до 6-9%. В экспериментах было также установлено, что диаметр отверстия в диафрагме не должен превышать диаметра катода; в противном случае - плазма ОР попадает на изолятор и касается боковой поверхности катода. На этой поверхности возникают катодные пятна, и паразитные утечки тока возобновляются. В прототипе диаметр рабочего поля сеток был существенно больше диаметра катода, что приводило к появлению утечек тока.

Источники информации

1. Патент РФ, №1706330, МПК Н 01 J 3/02. Способ формирования микросекундных сильноточных электронных пучков. Г.Е. Озур, Д.И. Проскуровский. Заявл. 04.01.90// БИ №10, 1994, с.203.

2. Патент РФ, №1706329, МПК Н 01 J 3/02. Способ формирования электронных пучков с помощью взрывоэмиссионной электронной пушки. Г.Е. Озур, Е.М. Окс, Д.И. Проскуровский. Заявл. 09.01.89// БИ №10, 1994, с.203.

Изобретение относится к технике генерирования сильноточных электронных пучков и может быть использовано для создания импульсных сильноточных электронных ускорителей, а также для поверхностной обработки материалов этими пучками. Сильноточная электронная пушка включает взрывоэмиссионный катод 1, плазменный анод 4 на основе отражательного разряда, коллектор 3 и помещена во внешнее ведущее магнитное поле 7. Между взрывоэмиссионным катодом 1 и анодом 4 отражательного разряда установлена заземленная диафрагма 2 с диаметром отверстия, меньшим диаметра катода. Кроме того, в аноде 4 отражательного разряда установлены искровые генераторы 5 плазмы, катоды которых соединены с землей через ограничительные резисторы 6, а общим анодом генераторов плазмы является сам анод 4 отражательного разряда. Технический результат: увеличение энергии пучка в импульсе на 30-40%, его длительности и стабильности параметров пучка от импульса к импульсу, уменьшение утечек тока в радиальном направлении, уменьшение разброса времени перехода отражательного разряда в сильноточную стадию и сокращение абсолютного значения этого времени. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сильноточная электронная пушка, включающая взрывоэмиссионный катод, плазменный анод на основе отражательного разряда, коллектор и помещенная во внешнее ведущее магнитное поле, отличающаяся тем, что между взрывоэмиссионным катодом и анодом отражательного разряда установлена заземленная диафрагма с диаметром отверстия меньшим диаметра катода.2. Сильноточная электронная пушка по п.1, отличающаяся тем, что в аноде отражательного разряда установлены искровые генераторы плазмы, катоды которых заземлены через ограничительные резисторы, а общим анодом искровых генераторов плазмы является сам анод отражательного разряда.